Le neutrino d’ultra-haute énergie pourrait provenir de blazars

Il y a trois ans, dans les eaux de la mer Méditerranée, le passage d’un neutrino cosmique « ultra-énergétique » a été observé — le plus énergétique jamais détecté. Cet événement a attiré l’attention internationale de la communauté scientifique ainsi que des médias et du public, notamment parce que l’origine de cette particule — dont l’énergie dépassait celle des neutrinos précédemment observés de plus d’un ordre de grandeur — est inconnue.

Un nouvel article publié dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) par la collaboration KM3NeT, qui opère le détecteur KM3NeT/ARCA au large de la Sicile, suggère que la source de cette particule pourrait se trouver dans une population de blazars — des noyaux galactiques actifs abritant un trou noir supermassif qui émettent un jet de plasma dirigé vers la Terre.

À la recherche du « coupable »

KM3NeT/ARCA est un détecteur de neutrinos immergé dans les profondeurs de la mer au large de la Sicile, et il peut surprendre qu’il soit encore en construction. Néanmoins, le 13 février 2023, il a enregistré un signal extraordinaire : le passage d’un neutrino qui, à environ 220 PeV, a largement dépassé les énergies de tous les neutrinos de haute énergie observés jusqu’alors. L’événement a également pris la communauté scientifique au dépourvu : qu’est-ce qui aurait pu générer une particule aux caractéristiques si exceptionnelles ?

Pour répondre à cette question, la collaboration a travaillé un peu comme des enquêteurs médico-légaux déduisant qui ou quoi a laissé une trace particulière sur une scène de crime : à partir d’une hypothèse initiale, les auteurs ont simulé les événements qui auraient pu se produire, puis ont comparé les résultats avec les observations réelles.

L’hypothèse des auteurs — l’une de plusieurs proposées au cours de la dernière année — est que le neutrino d’ultra-haute énergie pourrait avoir été produit dans une classe spécifique de blazars. « Il existe plusieurs explications possibles pour l’origine de cette particule », explique Meriem Bendahman, chercheuse à l’INFN Naples et membre de la collaboration KM3NeT, parmi les auteurs de l’étude, qui compte des centaines de contributeurs. « Par exemple, il a été proposé que de tels neutrinos sont générés lorsque des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie interagissent avec le rayonnement fossile micro-ondes, la lumière résiduelle de l’Univers primitif. Mais il y a aussi la possibilité que le neutrino provienne d’un flux diffus produit par une population d’accélérateurs extrêmes, comme les blazars. »

Une source diffuse

Bendahman explique qu’il y a des raisons de croire que le neutrino observé ne provient pas d’un événement ponctuel soudain et identifié — comme une explosion ou une éruption. Dans des cas similaires, les scientifiques recherchent une « contrepartie » électromagnétique, c’est-à-dire un signal en radio, en optique, en rayons X ou en rayons gamma provenant de la même région du ciel en coïncidence avec la détection du neutrino.

Dans le cas de l’événement d’il y a trois ans, cependant, aucune telle contrepartie électromagnétique n’a été trouvée. « Cela n’exclut pas complètement la possibilité d’une source ponctuelle », note Bendahman, « mais cela nous amène à considérer que notre neutrino pourrait provenir d’un fond diffus — c’est-à-dire d’un flux de neutrinos incluant des contributions de nombreuses sources. »

« Nous avons donc simulé une population de blazars en utilisant un logiciel open-source appelé AM3, avec des paramètres physiquement motivés », explique Bendahman. Pour construire un modèle réaliste de blazars, les chercheurs ont fixé de nombreux paramètres à des valeurs déjà connues grâce à d’autres observations indépendantes, comme l’intensité du champ magnétique ou la taille de la région d’émission.

Dans les simulations, ils ont principalement fait varier deux paramètres clés : le baryonic loading, qui indique quelle quantité d’énergie est portée par les protons par rapport aux électrons (et donc combien de neutrinos peuvent être produits), et l’indice spectral des protons, qui détermine comment l’énergie des protons est distribuée et quelle est la probabilité d’atteindre des énergies extrêmes.

Pour chaque combinaison de ces deux paramètres, ils ont calculé à la fois le flux diffus de neutrinos et le flux gamma correspondant, à comparer avec les données d’observation.

La comparaison avec IceCube et Fermi LAT

L’une des forces du travail de Bendahman et de ses collègues est son approche intégrée : en plus des données de KM3NeT/ARCA, les auteurs ont également pris en compte les observations de l’Observatoire de neutrinos IceCube et du télescope spatial Fermi Gamma-ray. Ils ne se sont pas basés uniquement sur ce qui avait été observé, mais aussi — et peut-être surtout — sur ce que ces instruments n’avaient pas observé.

L’absence d’événements comparables d’ultra-haute énergie dans les ensembles de données de neutrinos existants, y compris ceux d’IceCube, suggère que de tels phénomènes sont extrêmement rares. Tout modèle viable doit donc également rendre compte de cette absence. Le scénario proposé satisfait à cette contrainte.

De plus, comme la production de neutrinos s’accompagne généralement d’une émission de rayons gamma, les auteurs ont vérifié que la contribution des blazars ne dépasse pas le fond diffus gamma extragalactique mesuré par Fermi.

De cette façon, Bendahman et ses collègues ont montré qu’une population de blazars est une source plausible du neutrino d’ultra-haute énergie : « Nous avons modélisé une population réaliste de blazars avec des paramètres physiquement motivés, et nous avons constaté que cette population de blazars pourrait expliquer l’origine de cet événement d’ultra-haute énergie, tout en étant cohérente avec les contraintes que nous avons concernant les observations de rayons gamma et de neutrinos. »

KM3NeT : le meilleur reste à venir

L’hypothèse qu’une population de blazars pourrait être à l’origine de l’événement reste prometteuse, mais elle doit être testée avec de nouvelles données. « Nous avons besoin de plus de données observationnelles », explique Bendahman. « KM3NeT est encore en construction, et nous avons détecté ce neutrino d’ultra-haute énergie avec seulement une configuration partielle. Avec le détecteur complet et plus de données, nous pourrons effectuer des analyses statistiques plus puissantes et ouvrir une nouvelle fenêtre sur l’univers des neutrinos d’ultra-haute énergie. » Au moment de l’observation, seules 21 lignes de détection de KM3NeT étaient actives, correspondant à environ 10 % du volume final de l’appareil.

Si elle est confirmée, cette interprétation de la collaboration KM3NeT fournirait de nouvelles informations sur la capacité des blazars à accélérer des particules à des énergies encore plus extrêmes que ce qui était supposé auparavant. « Nous n’avions jamais observé un neutrino d’une énergie aussi élevée auparavant, et s’il s’avère qu’il provient d’accélérateurs cosmiques comme les blazars », conclut Bendahman, « cela nous donnerait un nouvel éclairage sur la façon dont ces objets peuvent émettre des particules à des énergies au-delà de ce que nous attendions auparavant. » 

Article : Blazars as a Potential Origin of the KM3-230213A Event – Journal : Journal of Cosmology and Astroparticle Physics – Méthode : Data/statistical analysis

Source : SISSA Medialab